p (Phys.org) - Uma nova técnica de fabricação desenvolvida pelo professor de engenharia da UConn, Brian Willis, pode fornecer a tecnologia inovadora que os cientistas estão procurando para melhorar amplamente os sistemas de energia solar de hoje. p Por anos, cientistas estudaram os benefícios potenciais de um novo ramo da tecnologia de energia solar que depende de matrizes de antenas nanométricas incrivelmente pequenas que são teoricamente capazes de coletar mais de 70 por cento da radiação eletromagnética do sol e simultaneamente convertê-la em energia elétrica utilizável.

p A tecnologia seria uma grande melhoria em relação aos painéis solares de silício amplamente usados ​​hoje. Mesmo os melhores painéis de silício coletam apenas cerca de 20 por cento da radiação solar disponível, e mecanismos separados são necessários para converter a energia armazenada em eletricidade utilizável para a rede elétrica comercial. A eficiência limitada dos painéis e os altos custos de desenvolvimento têm sido duas das maiores barreiras para a adoção generalizada da energia solar como um substituto prático para os combustíveis fósseis tradicionais.

p Mas, embora as antenas nanométricas tenham se mostrado promissoras em teoria, os cientistas carecem da tecnologia necessária para construí-los e testá-los. O processo de fabricação é extremamente desafiador. As nanoantenas - conhecidas como "retenas" devido à sua capacidade de absorver e retificar a energia solar de corrente alternada para corrente contínua - devem ser capazes de operar na velocidade da luz visível e ser construídas de tal forma que seu par central de eletrodos está a apenas 1 ou 2 nanômetros de distância, uma distância de aproximadamente um milionésimo de milímetro, ou 30, 000 vezes menor que o diâmetro de um cabelo humano.

p A descoberta potencial reside em um novo processo de fabricação chamado deposição de camada atômica de área seletiva (ALD) que foi desenvolvido por Willis, um professor associado de química, materiais, e engenharia biomolecular e o diretor anterior do Programa de Engenharia Química da UConn. Willis ingressou na UConn em 2008 como parte de uma eminente iniciativa de contratação de professores que trouxe uma equipe de elite de líderes em tecnologia de energia sustentável para a universidade. Willis desenvolveu o processo ALD enquanto lecionava na Universidade de Delaware, e patenteou a técnica em 2011.

p É por meio da deposição da camada atômica que os cientistas podem finalmente fabricar um dispositivo retângulo funcional. Em um dispositivo Retenna, um dos dois eletrodos internos deve ter uma ponta afiada, semelhante à ponta de um triângulo. O segredo é colocar a ponta desse eletrodo a um ou dois nanômetros do eletrodo oposto, algo semelhante a segurar a ponta de uma agulha no plano de uma parede. Antes do advento do ALD, as técnicas de fabricação litográfica existentes não foram capazes de criar um espaço tão pequeno dentro de um diodo elétrico em funcionamento. Usando equipamentos eletrônicos sofisticados, como canhões de elétrons, o mais próximo que os cientistas conseguiram foi cerca de 10 vezes a separação necessária. Por meio da deposição da camada atômica, Willis mostrou que é capaz de revestir com precisão a ponta da retina com camadas de átomos de cobre individuais até que uma lacuna de cerca de 1,5 nanômetro seja alcançada. O processo é autolimitado e para na separação de 1,5 nanômetro.

p O tamanho da lacuna é crítico porque cria uma junção de túnel ultrarrápida entre os dois eletrodos da retina, permitindo uma transferência máxima de eletricidade. O intervalo nanométrico dá aos elétrons energizados na retina apenas o tempo suficiente para fazer um túnel até o eletrodo oposto antes que sua corrente elétrica se reverta e eles tentem voltar. A ponta triangular da retena torna difícil para os elétrons inverterem a direção, capturando assim a energia e retificando-a para uma corrente unidirecional.

p Impressionantemente, as retenas, por causa de seus diodos de túnel incrivelmente pequenos e rápidos, são capazes de converter a radiação solar na região do infravermelho através dos comprimentos de onda extremamente rápidos e curtos da luz visível - algo que nunca foi realizado antes. Painéis solares de silício, por comparação, tem uma única lacuna de banda que, falando livremente, permite que o painel converta a radiação eletromagnética de forma eficiente em apenas uma pequena parte do espectro solar. Os dispositivos retenna não dependem de um gap de banda e podem ser ajustados para coletar luz em todo o espectro solar, criando eficiência máxima.

p O governo federal tomou conhecimento do trabalho de Willis. Willis e uma equipe de cientistas da Penn State Altoona, juntamente com a SciTech Associates Holdings Inc., uma empresa privada de pesquisa e desenvolvimento com sede em State College, Pa., recentemente recebeu $ 650, 000, bolsa de três anos da National Science Foundation para fabricar retenas e buscar maneiras de maximizar seu desempenho.

p "Esta nova tecnologia pode nos ajudar a superar o obstáculo e tornar o custo da energia solar competitivo com os combustíveis fósseis, "diz Willis." Esta é uma tecnologia totalmente nova, toda uma nova linha de pensamento. "

p A equipe de pesquisa da Penn State Altoona - que tem explorado o lado teórico das retennas por mais de uma década - é liderada pelo professor de física Darin Zimmerman, com colegas professores de física Gary Weisel e Brock Weiss servindo como co-investigadores. A colaboração também inclui os professores eméritos de física da Penn State, Paul Cutler e Nicholas Miskovsky, que são membros principais da Scitech Associates.

p "O dispositivo de conversão de energia solar em desenvolvimento por esta colaboração de duas universidades e um subcontratado da indústria tem o potencial de revolucionar a tecnologia de energia solar verde, aumentando a eficiência, reduzindo custos, e proporcionando novas oportunidades econômicas, "Zimmerman diz.

p “Até o advento da deposição seletiva da camada atômica (ALD), não foi possível fabricar matrizes retênicas práticas e reproduzíveis que podem aproveitar a energia solar do infravermelho ao visível, "diz Zimmerman." ALD é uma etapa de processamento de vital importância, tornando possível a criação desses dispositivos. Em última análise, a fabricação, caracterização, e a modelagem dos arranjos retangulares propostos levará a uma maior compreensão dos processos físicos subjacentes a esses dispositivos, com a promessa de aumentar muito a eficiência da tecnologia de conversão de energia solar. "

p O processo de deposição da camada atômica é favorecido pela ciência e pela indústria porque é simples, facilmente reproduzível, e escalonável para produção em massa. Willis diz que o processo químico já é usado por empresas como a Intel para microeletrônica, e é particularmente aplicável para revestimentos homogêneos para nanoestruturas, nanofios, nanotubos, e para uso na próxima geração de semicondutores e transistores de alto desempenho.

p Willis diz que o método usado para fabricar retenas também pode ser aplicado a outras áreas, incluindo o aumento da energia fotovoltaica atual (a conversão de energia fotográfica em energia elétrica), termelétricas, sensoriamento infravermelho e imagem, e sensores químicos.

p Uma concessão inicial de 2011 do Centro de Engenharia de Energia Limpa da UConn permitiu à Willis fabricar um protótipo de retena e coletar dados preliminares usando ALD que foi fundamental para garantir a concessão da NSF, Willis diz.

p No próximo ano, Willis e seus colaboradores na Pensilvânia planejam construir protótipos de retennas e começar a testar sua eficiência. Willis compara o processo de sintonizar uma estação de rádio.

p "Já fizemos uma primeira versão do dispositivo, "diz Willis." Agora estamos procurando maneiras de modificar a retena para que ela se sintonize melhor nas frequências. Eu comparo isso com os dias em que as televisões dependiam de antenas de ouvido de coelho para recepção. Tudo era um borrão estático até que você movesse a antena e visse o fantasma de uma imagem. Então você continuou movendo-o até que a imagem ficasse mais nítida. É isso que estamos procurando, aquele fantasma de uma imagem. Assim que tivermos isso, podemos trabalhar para torná-lo mais robusto e repetível. "

p Willis diz que encontrar aquele ponto mágico onde uma retena capta o máximo de energia solar e a retifica em energia elétrica será o estouro de champanhe, momento "ah-ha" do projeto.

p "Para capturar as frequências de luz visível, a retena deve ficar menor do que qualquer coisa que já fizemos antes, então estamos realmente empurrando os limites do que podemos fazer, "diz Willis." E as junções do túnel têm que operar na velocidade da luz visível, portanto, estamos avançando para velocidades realmente altas até o ponto em que a pergunta se torna 'Esses dispositivos realmente funcionam neste nível?' Teoricamente, sabemos que é possível, mas não saberemos com certeza até fazer e testar este dispositivo. "